L’edificio presenta una pianta pressoché rettangolare con la struttura portante in muratura di pietra intonacata sia all'interno che all'esterno ove sono presenti catene in ferro. Il soffitto dell'aula è costituito da volte in incannicciato longitudinali e trasversali ortogonali tra loro. In corrispondenza del presbiterio la volta è in pietra.
La struttura della chiesa presenta un'unica navata con volta ed arcate che la dividono in tre parti, una prima zona d'accesso dove troviamo un soppalco sorretto da quattro colonne in marmo destinato a coro, accessibile da una piccola apertura dall'esterno, una zona centrale ove sono presenti le panche e gli altari ed una terza zona caratterizzata dall'altare principale e dal presbiterio. Nella parte laterale, a destra del presbiterio, si trova un vano sacrestia e a sinistra l'ingresso al campanile.
La struttura di copertura è a capanna, costituita da travi e travicelli in legno su cui poggiano tavelle in laterizio e il manto di copertura costituito da tegole e coppi.
Il 30 dicembre 1587, il principe Alberico I Cybo-Malaspina donò un convento ai Carmelitani provenienti da Fivizzano (MS). L'anno successivo, all'edificazione della chiesa e del convento, si unirono i confratelli della "Rosa" che avevano un piccolo oratorio vicino al Duomo. 
La Chiesa del Carmine venne consacrata ufficialmente dal vescovo di Luni, mons. Giovanni Battista Selvaggio il 22 maggio 1605. 
Il convento, eretto da Paolo V con bolla del 9 maggio 1609, fu terminato nel 1610. 
La chiesa venne dotata di pavimentazione nel 1612. 
Nel 1651 i confratelli della "Rosa", che avevano convissuto con i frati per circa 50 anni, lasciarono il Carmine per trasferirsi nella nuova chiesa della Madonna delle Lacrime, in via Carriona, costruita in un solo anno su un terreno che apparteneva al C.mte Andrea Monzoni. 
Nel periodo dell'occupazione francese (1799-1814) il convento divenne sede del distretto militare e in seguito i suoi locali ospitarono il laboratorio di scultura della famiglia Lazzarini. 
Nel XIX secolo la chiesa venne chiusa per molto tempo, poi divenne una sorta di galleria d'arte dei più rinomati scultori carraresi e nel 1946 la chiesa divenne sede del canonicato della "Beata Vergine del Carmelo", e fu affidata alla giurisdizione parrocchiale della Abbazia Mitrata Collegiata di Sant'Andrea Apostolo.  
L'interno, restaurato nel 1845 da Andrea Lazzoni, presenta la pianta dell'edificio pressoché rettangolare ad unica navata con il presbiterio di larghezza minore rispetto all'aula. A destra per chi entra, una nicchia ospita la statua della B.V. del Carmelo in atto di consegnare lo scapolare a S.Simone Stock. Poco oltre è ubicato l'altare dedicato alla Madonna della Misericordia, risalente al 1742, che custodisce una tela dedicata alla Madonna della Misericordia e ai Santi Lorenzo e Tommaso Apostolo. L'opera ricorda l'apparizione della Vergine avvenuta il 18 marzo 1536 a Savona al buon contadino Antonio Botta, raffigurato in ginocchio in preghiera.
La facciata venne restaurata nel 1853 dall'architetto carrarese Giovanni Ugolini ed è semplice, suddivisa da un marcapiano marmoreo: la parte superiore è formata da quattro pilastri con capitelli corinzi in marmo bianco sovrastate da un cornicione che fa da base ad un grande timpano.
Ai lati della grande finestra centrale si aprono due nicchie con le statue di S. Francesco (a destra) e di S. Domenico (a sinistra) eseguite dal carrarese Carlo Chelli.
Nella parte inferiore spicca il pregiato portale attribuito alla scuola dello spagnolo Bartolomeo Ordonez (Burgos 1450 - Carrara 1520). 
Nella sinistra, sotto il presbiterio, si trova l'Altare del Crocefisso e, proseguendo sulla sinistra, l'opulento altare intitolato a Santa Maria Maddalena de' Pazzi, venne eretto nel 1685 a spese del Conte Francesco Maria Diana. E' corredato dalla statua in marmo della detta Santa, entro una piccola nicchia di marmi a colori, con putti in bassorilievo, sorreggenti emblemi della passione di nostro Signore, e con ornati all'arco ed ai pilastri di questa nicchia, alla base della quale si eleva una bella urna di marmi coloriti, con intarsi ed ornati. 
L’altare maggiore di ordine composito venne eretto nel 1599 ed è caratterizzato dalla presenza di una importante tela ad olio rappresentante la Madonna del Carmine, col Bambino fra gli Angeli, ed ai piedi della Vergine si trovano partendo da sinistra: S.Alberto degli Abati da Trapani, S. Simone Stock, i committenti dell'opera appartenenti alla Famiglia Cybo-Malaspina, S. Carlo Borromeo e S.Angelo da Gerusalemme. Sullo sfondo, all'estrema destra, la tradizione sostiene che il volto barbuto sia quello di Domenico Fiasella, autore dell'opera (la tela venne restaurata nel 1974).  
Il presbiterio venne trasformato nel 1971 su richiesta dei RR.PP. Gesuiti con interventi che videro l'eliminazione della balaustra, la costruzione di una mensa marmorea e la trasformazione dei due piedistalli laterali in amboni.